Secvențierea genomului de medaka dezvăluie ADN repetitiv cu semnificație biologică
Cercetătorii au realizat secvențierea genomurilor a trei medaka, cunoscuți și sub denumirea de pești japonezi de orez, care sunt un model comun utilizat în cercetările biologice, acum aproape 10 și 20 de ani.
Deși secvențierea genomurilor a fost relativ simplă, asamblarea acestora a fost o provocare. În prima lor cercetare, echipa a folosit metoda tradițională de secvențiere Sanger pentru a obține aproximativ 800 până la 1.000 de citiri de bază, ceea ce a dus la secvențe de calitate scăzută în anumite regiuni ale genomului de aproximativ 800 Mb și la multe lacune de secvențiere. Zece ani mai târziu, în 2017, echipa de cercetare a realizat secvențierea PacBio SMRT (Single Molecule Real-Time) în două tulpini japoneze de medaka (Hd-rR și HNI) și o tulpină coreeană (HSOK). Aceste citiri mai lungi au acoperit zeci de kilobaze, îmbunătățind asamblarea genomului, însă au rămas aproximativ 1.000 de lacune în genom.
Echipa, condusă de cercetători de la Universitatea din Tokyo și de la Institutul Național de Genetică, parte a Organizației de Cercetare pentru Informații și Sisteme (ROIS) din Japonia, și-a publicat lucrarea pe 3 august în revista Genome Research.
„Ne-am propus să finalizăm secvența genomică a peștelui medaka, care conținea anterior aproximativ 1.000 de lacune, și să descoperim informații biologice importante ascunse în acele lacune, inclusiv perspective asupra stabilității cromozomilor, ADN-ului mobil și determinării sexului”, a declarat Yoshihiko Suzuki.
Genomul medaka conține multe regiuni repetitive, care pot fi dificile de asamblat folosind metode tradiționale de secvențiere a ADN-ului. Este important de menționat că aceste regiuni repetitive se găsesc adesea în centromere, o regiune specializată și constrictă a unui cromozom care leagă cromatidele surori; telomere, sau secvențe ADN protective situate la capătul cromozomilor; aranjamente de ADN ribozomal compuse din clustere de gene de ARN ribozomal; cromozomii XY; și gigantul element mobil Teratorn, care poate migra în diferite locuri din genomul medaka.
„Regiunile genomice considerate anterior prea dificile de decodificat conțin informații biologice esențiale despre modul în care cromozomii sunt distribuiți corect în celulele noi, cum supraviețuiește ADN-ul mobil în genom și cum este determinat sexul biologic”, a adăugat Suzuki.
Echipa a utilizat două tehnologii de secvențiere de ultimă oră pentru a genera citiri suficient de lungi și precise pentru a acoperi regiunile repetitive pe care metodele tradiționale nu le-au putut rezolva adecvat prin asamblarea genomului. Secvențierea PacBio HiFi, o formă rafinată a tehnologiei de secvențiere SMRT, produce citiri lungi foarte precise, în timp ce secvențierea ultra-lungă Oxford Nanopore produce citiri de sute de kilobaze, suficiente pentru a acoperi cele mai repetitive secțiuni.
Prin secvențierea completă și asamblarea tulpinii de medaka Hd-rR și aproape finalizarea tulpinilor HNI și HSOK, cercetătorii au putut compara secvențele centromerice, transpozonii uriași și cromozomii sexuali între tulpini și specii, oferind o perspectivă asupra modului în care regiunile genomice repetitive pot contribui la trăsăturile fenotipice (observabile) ale diferitelor organisme.
Echipa a observat secvențe centromerice între tulpinile de medaka care diferă de cele ale altor organisme eucariote. La medaka, sateliții centromerici, sau secvențe ADN non-codificate, foarte repetitive, situate la centromeră, sunt mai conservate între tulpini decât s-a observat în alte specii eucariote. Aceste secvențe satelit pot facilita interacțiuni specifice ADN-proteine pentru a stabiliza kinetocorele, o structură proteică complexă, în formă de disc, asamblată pe centromera unui cromozom.
Elementul genetic Teratorn, care reprezintă un genom complet de herpesvirus fuzionat cu un element transpozabil ce îi permite să se deplaseze în genom, persistă de asemenea în genomul medaka. Acest element genetic poate schimba expresia genelor din apropiere și s-a dovedit că influențează forma înotătoarelor medaka. În plus, cercetătorii au observat că genele de pe cromozomii X și Y (sex) sunt păstrate la medaka ca perechi, cu excepția regiunii specifice cromozomului Y, care diferă de stickleback-ul cu trei spini, un alt pește, care are un cromozom Y cu o vechime de peste 26 de milioane de ani.
Identificarea și analiza regiunilor genomice repetitive la medaka contribuie la înțelegerea noastră genetică a speciei, iar echipa de cercetare este entuziasmată să determine funcția elementelor specifice din genom, care se găsesc în diverse specii.
„Următorul pas este să testăm experimental funcțiile regiunilor recent identificate. Scopul nostru final este de a folosi informațiile complete despre genom pentru a înțelege cum diferențele în secvențele ADN modelează trăsăturile vertebratelor și, în cele din urmă, pentru a ajuta la clarificarea funcției genomului uman”, a concluzionat Suzuki.
